機車用傳動齒輪輪轂鍛造工藝與模具設計

姚 軍

（四川建筑職業技術學院 機械工程系，四川 德陽 618000）

機車用傳動齒輪輪轂廣泛用于內燃機車、電力機車等的傳動及行走部位，是機車關鍵零部件。質量要求高，需求量大，通常采用鍛件毛坯。因該鍛件投影面積大、齒輪盤薄且為深孔，造成齒輪鍛造困難。

通過對該鍛件結構特點的分析及設備能力的評估[1],設計了鍛造模具、切邊沖孔復合模，成功實現該鍛件的開發。

1 工藝分析

1.1 鍛件結構特點

該鍛件材質42CrMo4，設計要求對材質的內在質量較高。鍛件最大尺寸?750mm、鍛件高度210mm，輪轂部分厚度57mm，通過三維建模，鍛件重280kg，鍛件外形如圖1所示。

圖1 鍛件外形圖

從圖中可以看出，該件結構相對簡單，尺寸均為自由公差，外形對稱；但鍛件厚度落差較大、齒盤厚度薄，具備深筋、薄板類鍛件的特點。

1.2 材料性能參數

鍛件材料具有良好的冷變形性和焊接性，正火后切削加工性尚可，退火后導磁率較高，剩磁較少，但淬透性、淬硬性極低。抗拉強度σb=275～383MPa，抗剪強度 τ=216～304MPa，屈服強度 σs=177MPa，硬度 HRC=61～63。

2 鍛件工藝分析

2.1 成形方法的確定

零件形狀的基本特征是一般的有凹圓的圓筒形件，內孔直徑為?38，自由公差。一般情況下，拉深件的尺寸精度應在IT13級以下，不宜高于IT11級。主要成形方法是沖裁、拉深、切邊沖孔和彎曲。

2.2 擬定工藝流程

鍛件存在齒盤不能打靠及頂端難充滿的可能性。依據錘上模鍛件計算鍛件的打擊力G=4F經驗公式，可得到鍛件所需打擊力為21t，根據生產條件，對現有設備進行檢修、改造。在不同鍛造階段，分別選用10t、16t、19t電液錘，這些設備經改造后打擊力均有所提升，加之以往積累了生產盤型鍛件的經驗，鍛造該盤型鍛件完全可以實現。

在三維建模后的鍛件重量280kg的基礎上增加15%的料，用于定額確定下料重量。由此可以設計出一套聯合鍛造工藝，最終擬定齒輪輪轂工藝流程為：下料-加熱-鐓粗-模鍛-切邊-正火-拋丸-探傷-打磨-檢查。

3 模具設計

3.1 鍛件分模線的確定

依據鍛件最大投影面積及利于鍛件出模的原則，分模線可選擇在齒盤的中部或齒盤的一端兩種方式。

經過論證認為：將分模線設置在齒盤一端不利于鍛件的切邊[2]。切邊后，會形成大量的毛刺或引起鍛件翹曲變形，最終決定將分模線設計在齒盤中部。中間孔連皮則盡量設計在孔的中部，可保證孔兩端具有良好的充填性。

3.2 鍛模設計

鐓粗過程在10t電液錘上進行，鐓粗模采用現有平板模，模鍛在19t電液錘生產。為了節省模塊成本及提高鍛模的導向性能，在合理的范圍內，有效縮小模塊尺寸，同時提高鍛模的導向精度，鍛模設計成單型腔鍛模及圓形鎖扣，如圖2所示。

為了鍛件充型良好，將鍛件距離齒盤大的一端設計在上模，距齒盤近的一端在下模。

利用反擠原理充滿難充滿部位，以達到良好的填充效果；考慮鍛件能夠打靠，特意加深了倉部深度而使多余的金屬盡量流向倉部[3]，避免因飛邊太多冷卻過快影響鍛模打靠，如圖2所示。

圖2 鍛模俯視圖及局部剖面

3.3 切邊模設計

鍛件切邊模采用切邊、沖孔復合模設計方案。根據零件的形狀特點、生產批量、模具制造條件、操作與安全要求以及利用現有設備的可能，鍛件先切邊、后沖孔，切邊模結構如圖3所示。

圖3 切邊沖孔復合模

首先將帶飛邊鍛件6放置在切邊下模3上、啟動壓力機滑塊帶動切邊上模2下行直至與鍛件6接觸實現切邊，滑塊繼續下行、切邊上模2推動鍛件下行與沖頭4接觸并實現沖孔，滑塊及切邊上模到達下死點后回程，滑塊帶動固定在其上的拉桿5向上運動。拉桿5帶動托件盤及鍛件從下模出來。從而實現切邊沖孔兩個過程，該過程操作方便、高效。

4 生產試制

4.1 工藝參數確定

（1）確定下料重量

根據工藝分析，開臺設定的下料重量為：鍛件重+15%材料消耗，擬定3種規格進行試制，下料重分別為 310kg、315kg、320kg。

（2）鐓粗

制坯選擇10t錘平板模上鐓粗，鐓粗時要考慮坯料不得發生歪斜并保證鍛件有足夠的鍛比要求，因此選坯料規格為?330。依據鍛件行腔尺寸及金屬成型原理，坯料鐓粗后直徑在550左右[4]。鐓粗直徑多大坯料被打出，難以保證有足夠的金屬鐓粗反擠成型中間凸起部位，同時由于過多金屬外流時發生回填產生折疊；鐓粗直徑過小鍛保證過多坯料不被打到倉部同時保證金屬不至于過小而回流。鐓粗后高度保持在180±10mm，可利于齒輪上下面的充型。

（2）氧化皮處理

設計一個卡壓型腔，在卡壓分料的同時去除大部分氧化皮。

（3）齒盤彎曲處理

設計專用的校正樣板，對鍛件進行100%檢查，對于彎曲超差的進行冷校正并去應力退火。

4.2 試生產

設備、工裝、工具準備就位后進行了試生產。

（1）坯料加熱

加熱爐設定溫度1150℃，加熱坯料。保溫6～8h，直到保透為止。

（2）鐓粗

鐓粗前，先在坯料上下端撒濕鋸末便于鐓粗時去氧化皮。選擇10t電液錘對坯料進行鐓粗[5]，當鍛錘與坯料接觸后，燃燒的鋸末在間隙內燃燒產生的高溫氣體將表面氧化皮去除，而坯料圓表面的氧化皮則由自然變形而去除。鐓粗后的坯料，其高度尺寸為180±10mm，直徑為 ?550mm±20mm，如圖 4所示。

（2）鍛打

圖4 鐓粗坯料尺寸

將鐓粗的坯料用操作機夾持到16t電液錘上進行鍛造。先輕擊定位，后重擊，將坯料鍛造成型直至各部位完全充型。

（3）模鍛

鍛造完成后的鍛件用操作機平整擺放入切邊沖孔復合模中，進行切邊、沖孔。

（4）檢驗

最后檢查鍛件表面質量及充滿情況，同時檢查鍛件錯移及厚度尺寸，若符合要求后便可批量生產。

4.3 試生產結果分析

經過試制，驗證三種下料規格的原材料，皆能實現齒輪轂的鍛造成形。

但310kg的坯料飛邊偏小，一旦發生設備故障等意外因素有可能導致充型不滿；

320kg規格材料雖充型效果較好但不利于降本增效；

為了保持工藝的穩定性及成本可控而摒棄了上述兩種規格，而取中間的315kg規格。

5 存在的問題及改進

5.1 鍛件錯移

試制中，存在的突出問題是部分鍛件錯移較大。雖不至于難以加工見光，但存在這方面的風險。

5.2 鍛件超厚

檢查鍛件厚度尺寸，普遍存在超厚現象，這在設計之初是預料到的，而且伴隨個別鍛件厚度不均現象。

但考慮到是全加工件，只要超厚不太大是可以接受的[6]。而如果一味追求名義尺寸，在生產時再進行多錘次鍛造也難以實現且對工裝壽命有不利影響。

5.3 問題的主要原因與改進

對于發生上述問題的主要原因分析如下：

（1）錯移原因與改進

打擊過程中由于存在沖擊，錘頭有晃動導致錯移。同時觀察飛邊發現與鐓粗料未能擺到終鍛模膛正中有一定關系，坯料不均造成錘頭發生扭轉，在擊打過程中累積成錯移。

（2）超厚原因與改進

鍛件厚度未能打靠，是設備打擊力過小。考慮到齒輪齒盤較薄，當擊打到后期，齒輪盤冷卻速度快，溫度過低，無論如何打擊金屬也難以流出，致使大量金屬留在模膛[7]，鍛件難以打靠。

因此，要控制好生產節拍，生產過程中不要有附加的時間耽誤，鐓粗之后快速的轉移至終鍛模膛，避免溫度的流失。

6 結論

通過對機車用傳動齒輪輪轂鍛件性能的分析，掌握了該類鍛件的成形特點，所設計的工藝方案與制造模具，能夠成功、高效生產出滿足要求的產品。通過對該類鍛件的全過程分析及研究，為今后類似產品設計奠定了堅實基礎。